Физики МФТИ приблизили создание квантового компьютера в России

Новое устройство уже сейчас может быть использовано в квантовом машинном обучении — области науки на пересечении квантовой физики и обработки данных. Квантовые системы могут ускорять вычисления и сокращать количество параметров в нейросети. Благодаря этому квантовые нейросети становятся более выразительными и позволяют описать задачу меньшим числом параметров. Система также поможет в исследовании подходов к созданию квантовых симуляторов, служащих для контролируемой имитации поведения естественных систем, не поддающихся классическим расчетам.

Образец интегральной схемы на основе пяти сверхпроводниковых кубитов в держателе. Предоставлено авторами разработки

Над созданием универсального квантового компьютера, способного решать любую алгоритмизируемую задачу, работают ведущие мировые научные центры. Однако вероятнее, что именно квантовые симуляторы для машинного обучения позволят коммерциализировать технологию в самом скором времени и приблизят момент появления универсальных устройств. 

Интегральная схема разработана в лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ и изготовлена на технологической базе Центра коллективного пользования московского Физтеха. Первые измерения показали, что все элементы схемы работают с ожидаемыми параметрами. В настоящий момент МФТИ обладает уникальной возможностью самостоятельно разрабатывать, изготавливать и тестировать квантовые устройства. 

Один из разработчиков схемы — научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Алексей Болгар прокомментировал: «После получения первого российского кубита в 2015 году в стенах нашей лаборатории мы многому научились. Все эти годы сотрудники ЦКП МФТИ и лаборатории трудились над улучшением технологии изготовления сверхпроводящих квантовых структур с различной архитектурой. В результате сейчас мы имеем технологию, которая уже достаточно надежна для создания многокубитных вычислительных устройств.

Созданная нами интегральная квантовая схема, в отличие от ранее разработанных в России прототипов, позволяет полностью контролировать состояние всех пяти кубитов. Такие интегральные схемы и необходимы для создания универсального квантового компьютера на сверхпроводящих кубитах. Это большой технологический успех». 

Нынешнее достижение стало возможным благодаря нескольким ключевым фактам. Во-первых, сотрудникам Центра коллективного пользования вуза и технологам лаборатории удалось существенно улучшить контроль геометрических и электрических параметров туннельных контактов. Эти контакты являются «сердцем» сверхпроводящих кубитов, от качества и воспроизводимости их изготовления зависит работоспособность всей квантовой схемы.

Во-вторых, была отлажена технология изготовления микроволновых резонаторов, добротность которых в однофотонном режиме составляет сотни тысяч. Такие высокодобротные резонаторы являются неотъемлемой частью квантовой интегральной схемы — они располагаются на чипе вблизи кубитов и служат для считывания их квантового состояния.

Третьей важной вехой в становлении технологии явилась отладка процесса изготовления навесных мостиков — так называемых эйр-бриджей, которые позволяют подавить паразитные резонансные моды и тем самым повысить добротность структур.

Наконец, четвертая и, пожалуй, самая важная составляющая успеха — это опыт, накопленный сотрудниками технологического центра МФТИ и лаборатории искусственных квантовых систем за последние годы. Здесь сформировалась слаженная команда талантливых и увлеченных исследователей. И она, кстати, продолжает пополняться, ведь система подготовки студентов в МФТИ позволяет талантливым людям выполнять НИР непосредственно в научных лабораториях. 

Алексей Болгар добавляет: «Наши текущие результаты говорят о том, что технологические и измерительные возможности ЦКП и нашей лаборатории позволяют отработать и выполнить все этапы, необходимые для создания элементов квантовых процессоров, от технологических чертежей до интегральной квантовой схемы на чипе и ее измерений. Однако дальнейшее развитие работ по созданию управляемых элементов квантового компьютера и самого компьютера потребует модернизации “чистой зоны”  ЦКП и дополнительного оснащения лаборатории современным исследовательским оборудованием».